IL-1與骨質疏松研究進展

顏廷鑫 王詩軍 姜俊杰 趙宇馳

煙臺市煙臺山醫院關節外科，山東 煙臺 264003

骨質疏松癥已經成為與衰老相關最重要的疾病之一。隨著人均壽命的延長，骨質疏松逐漸成為全球范圍的主要健康問題。骨質疏松患者骨骼力量降低，發生骨折風險大大增加。據文獻報道，全世界范圍每年發生骨質疏松骨折例數超過890萬，平均每3秒發生一例骨質疏松骨折[1]。據世界骨質疏松協會最新的數據顯示，年齡超過50歲人群中有1/3女性、1/5男性一生中可能經歷一次骨質疏松骨折。女性發生率高的原因是由于絕經后雌激素水平的降低伴有骨吸收的增加[2-3]，然而，最近的研究顯示，雌激素缺乏可能作用甚微[4]，免疫系統改變則可能是絕經后骨質疏松的重要因素，其參與方式主要通過細胞因子調節成骨細胞、破骨細胞的活性[5-6]。調節成骨細胞及破骨細胞的促炎因子，以及免疫系統的激活被認為是引起骨質疏松的危險因素[7-8]。白介素-1(IL-1)是免疫系統重要組成部分，作為強有力的破骨細胞刺激因子，在生理狀態下以及炎癥性疾病、絕經后全身性骨量丟失中均發揮著重要作用[9-11]。本綜述就IL-1家族，IL-1對信號通路、細胞、動物模型骨代謝作用，以及IL-1抑制劑、拮抗劑及其衍生物對骨代謝的作用，作一簡單綜述。

1 IL-1β及其激活機制

IL-1家族包含11種亞型[12]，IL-1α、IL-1β、IL-1受體拮抗劑(IL-1Ra)在慢性炎癥性疾病中發揮作用恒定。IL-1β激活需要兩步驟，首先是細胞模式識別受體例如Toll樣受體(TLRs)的激活，或細胞死亡后釋放的警報素因子的釋放，誘導IL-1β mRNA的轉錄及翻譯，形成IL-1前體蛋白。隨后，IL-1前體蛋白經過細胞內蛋白酶的切割，形成具有生物活性的IL-1β分子[13-14]。對IL-1β前體蛋白切割可通過兩種機制實現，其一通常發生于單核細胞、巨噬細胞，依賴炎性復合體，通過caspase-1(早期被稱為IL-1轉換酶，ICE)實現。炎性復合體能夠激活caspase-1，從而將無活性的IL-1β前體蛋白切割成活性IL-1β[15-16]；其二是中性粒細胞介導的IL-1β激活，該機制不依賴于caspase-1或炎性小體的激活，盡管中性粒細胞也能通過機制一激活IL-1。這些激活IL-1的蛋白酶，被稱為不依賴于炎性復合體蛋白酶，包括來源于中性粒細胞的絲氨酸蛋白酶，特別是蛋白酶-3(也稱為髓母細胞素)、中性粒細胞彈性蛋白酶、組織蛋白酶G、顆粒酶A，其他酶包括糜酶、胰凝乳蛋白酶、金屬蛋白酶甲基多巴A亞族-α、甲基多巴A亞族-β。機制二能夠保證在充滿中性粒細胞的炎性組織中，IL-1β被強烈激活。依賴中性粒細胞介導的IL-1β釋放在常見的炎癥性疾病具有功能性作用，主要依賴于中性粒的遷移與聚集[17-19]。IL-1α存在細胞內并且能夠結合在細胞膜上，例如上皮細胞，儲存著大量的IL-1α。IL-1α并不是由細胞分泌，而是當細胞壞死后釋放出來，例如當發生上皮損傷、心肌梗死、卒中、腫瘤衰變，以及急性腎衰竭時。因此，IL-α可以認為是一種警報分子，細胞一旦壞死，立即發揮作用，通過與IL-1R1結合，誘導IL-1β的激活以及如腫瘤壞死因子(TNF)、IL-6的產生啟動炎癥反應。然而在細胞凋亡時，IL-α移入細胞核內，該過程并不引起炎癥[20]。

2 IL-1參與骨代謝

文獻中提示一些關鍵性細胞因子如巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)[21]、IL-1[22]、NF-κB受體激活配體(RANKL)[23]、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)[24]調節破骨細胞的分化、激活以及存活。已有學者對IL-1在骨代謝方面的影響進行了詳細的介紹[11]。在各種組織中，骨組織對IL-1最為敏感。20世紀80年代，文獻已開始報道IL-1的強大骨吸收活性。與之相反的，IL-1受體拮抗劑，阻斷了這種骨吸收作用[25]。IL-1不僅能夠影響前列腺素E2(PGE2)的合成從而間接影響破骨細胞的形成，還可直接參與多核破骨細胞形成。如今已在成熟的破骨細胞表面發現了IL-1受體，提示IL-1可直接作用于破骨細胞[26]。IL-1通過與受體結合，激活細胞內多個信號通路，從而激活核因子-κB (NF-κB)，上調多種破骨因子的基因表達，例如PGE2、RANKL、基質金屬蛋白酶等，甚至可通過自分泌增強自身作用[27-29]。有學者[10]認為IL-1是系統性炎癥疾病骨量丟失的必要條件。TNF被認為是RA主要的參與因子，學者運用雜交技術，評估TNF對骨代謝的作用是否需要IL-1的參與，TNF過度表達能夠直接引起RANKL表達升高，也能夠促進間充質細胞表達IL-1以及IL-1受體，進而誘導RANKL表達并直接作用于破骨細胞使其表達NF-κB受體激活劑(RANK)，如果阻斷IL-1的作用，TNF引起的骨破壞作用則明顯減弱，提示IL-1在TNF誘導破骨細胞形成的過程中起重要的橋梁作用。事實上，實驗室證據顯示完全阻斷IL-1β和TNFα的作用，會導致骨吸收的完全停止[30]。也有學者[9]認為，IL-1在非生理狀態下，也能調節骨代謝，但并非是單純的IL-1水平的升高，IL-1與IL-Ra的比值可能更有意義。通過IL-1基因敲除小鼠的實驗，指出IL-1不僅能夠通過刺激成骨細胞分泌RANKL，而且還能直接作用于骨髓內細胞來源的破骨細胞前體細胞，促進其向破骨細胞分化[9]。除了IL-1β本身對成骨細胞、破骨細胞的作用，IL-1β還能通過刺激局部骨組織釋放成纖維細胞生長因子23(FGF23)入血，從而引起全身性的骨量丟失[31]。

此外，IL-1還可參與應力調節骨吸收過程的信號通路，從而影響骨代謝[32]。除了外周血中的IL-1發揮作用，IL-1還能通過中樞參與骨代謝的調節。IL-1能夠通過IL-1-副交感系統-骨這一調節軸負向調節骨吸收，從而增加骨量的生成，這與外周血中IL-1作用相反[33]。

3 絕經后炎癥狀態的改變

骨質疏松因加快的骨重塑過程引起皮質骨骨小梁的吸收，引起骨密度的降低。80%的骨質疏松患者為女性患者，其明顯的骨密度下降主要由于絕經期雌激素水平的降低[34]。然而最新的理論認為雌激素缺乏對骨代謝作用甚微，促炎因子例如IL-1β起重要作用[4]。動物實驗證實，切除卵巢導致大鼠絕經可引起自發性促炎因子的升高，且與骨密度下降相關。給予IL-1受體拮抗劑能夠增加骨密度[30]。缺乏IL-1功能性受體的大鼠絕經后能繼續維持骨密度，而野生型大鼠絕經后的骨密度則明顯降低，進一步證實IL-1β在雌激素缺乏引起骨量丟失過程中發揮著重要作用[35]。同樣，在手術切除卵巢后的女性也發現外周血中IL-1β的釋放量自發性的持續升高，且與骨密度降低相關，經過雌激素治療后，IL-1β經過短暫的升高后又恢復到正常水平，證明IL-1β水平的增加與雌激素缺乏相關，而且在骨吸收過程中起重要作用[34,36]。此外，最新的文獻研究正常絕經期后婦女BMD與體內炎性指標的關聯性，相比于骨質正常的人群，骨質疏松患者體內的炎性指標C-反應蛋白(CRP)以及細胞因子干擾素α2(IFNα2)、IFN-γ、IL-12p70、IL-33明顯升高，體內能夠檢測出IL-1β、IL-6的人群髖關節骨密度明顯低于未檢測出IL-1β、IL-6的人群。同樣的，能夠檢測出IL-1β的絕經后女性腰椎骨密度也明顯低于那些未檢測出IL-β的人群[37]。這些研究結果充分提示IL-β在絕經期后骨質疏松過程中可能發揮著極其重要的作用。

4 抑制IL-1作用對骨代謝的影響

IL-1拮抗劑應用于臨床并非用于治療骨質疏松。類風濕性關節炎是應用IL-1拮抗劑第一種成功的疾病，也是臨床使用治療炎癥性疾病的第一類藥物。類風性關節炎患者滑膜以及滑液中發現高水平的IL-1β的表達。IL-1受體拮抗劑阿那白滯素在治療類風濕性關節炎患者的過程中，發現了其對骨、軟骨具有保護作用[38]。

大黃酸是存在于亞洲草本植物的蒽醌類化合物，大黃酸以及其衍生物被證實有眾多醫療作用[39]。衍生物雙醋瑞因，以其拮抗IL-1β的抗炎和軟骨保護作用被應用于骨性關節炎的治療[40]。雙醋瑞因治療骨性骨關節炎的機制：抑制IL-1的合成以及活性，既不影響巨噬細胞前列腺素的合成，也不刺激軟骨細胞合成前列腺素。在骨性關節炎的軟骨以及滑膜細胞中，雙醋瑞因能夠降低IL-1受體的數量，以及IL-1? 轉換酶(ICE，或者caspase-1)的數量[41]。其主要產物大黃酸，能夠減弱IL-1?誘導的金屬蛋白酶激活、降低軟骨細胞產生一氧化氮(NO)[42]。在骨性關節炎動物模型中，雙醋瑞因對軟骨基質的退變起保護作用[42-43]。有研究表明，雙醋瑞因在治療骨性關節炎時，能夠對軟骨下骨起保護作用，雙醋瑞因以及大黃酸以劑量依賴性地減緩IL-1β誘導骨性關節炎軟骨下骨產生金屬基質蛋白酶(MMP)-13。而對于破骨細胞，他們能夠顯著減弱MMP-13、組織蛋白酶K的活性。雙醋瑞因和大黃酸能夠阻斷IL-1β對破骨細胞分化的誘導、以及成熟的破骨細胞存活。大黃酸/雙醋瑞因能夠通過降低骨吸收因子的合成以及破骨細胞的生成從而影響骨性關節炎患者非正常軟骨下骨的骨代謝[44]。雙醋瑞因可顯著抑制IL-1β誘導的骨吸收陷窩形成，并縮小骨陷窩的面積，除了能夠抑制成骨細胞膜表達RANKL，還能促進OPG(骨保護素)表達，上調OPG/RANKL比例，這很有可能是雙醋瑞因抑制IL-1β骨破壞的作用機制之一[45]。

鑒于雌激素缺乏可引起骨質疏松，有學者合成雌激素-大黃酸復合物，利用大黃酸對骨羥基灰石的高親和性，該衍生物能夠刺激OPG的分泌，抑制RANKL、IL-6的生成，發揮了大黃酸以及雌激素的復合作用，該混合物比雌激素抑制RANKL的作用更強[46]。

上海骨關節疾病研究所鄧廉夫團隊合成了多種大黃酸衍生物，其中酰胺類大黃酸衍生物(d6)對破骨細胞的形成以及破骨因子表達有顯著的抑制作用，在RANKL誘導破骨細胞形成的過程中，該混合物可能是通過調節RANKL/RANK/NFATc1通路而發揮作用，負向調節破骨細胞的活性[47]。該團隊還通過合成含硫的大黃酸衍生物-硫代酰胺大黃酸(RT)，運用硫化物對成骨細胞的保護及促增殖作用，發現RT能夠在活體動物內抑制破骨細胞形成的同時，還能促進成骨細胞分化并抑制骨破壞，較大黃酸的抑制骨吸收能力更強，同時還能夠改善骨的生物力學特性[48]。

此外，還有一些藥物通過抑制IL-1的作用而發揮骨保護作用。IL-1能夠誘導成骨細胞表達環氧化酶-2(COX-2)及膜結合性前列腺素E2 (PGE2)，促進成骨細胞分泌MMP-2、13，透明質酸則能夠抑制IL-1這些作用。而且能夠抑制NF-κB依賴性基因轉錄[49]。卞達明常用于解熱、鎮痛、抗炎。作為一種非甾體抗炎藥物使用，抑制前列腺素的合成，能夠抑制促炎因子的產生。卞達明可能通過下調IKK、ERK 和P38抑制NF-kB、AP-1(激活蛋白-1)，進而降低IL-1β 和 NFATc1(活化T細胞核因子1蛋白)的表達，抑制破骨細胞分化以及骨吸收[50]。

最新的文獻研究表明，IL1RN(IL1受體拮抗劑)也可能直接參與骨質疏松中成骨細胞分化過程。IL-1RN不僅能夠通過競爭性抑制IL-1與受體的結合從而中斷IL-1下游信號通路誘導的破骨作用，還能夠直接作用于ITGB3(整合素β3)，激活下游β-連環素信號通路，誘導成骨標志物的表達[51]。

綜上所述，IL-1以其促進炎癥反應、促進骨吸收作用參與了炎癥性疾病、絕經后骨質疏松以及骨性關節炎等骨量丟失的病理過程，通過抑制IL-1的作用可緩解或逆轉骨吸收的進展。但IL-1在眾多病理過程中發揮何等程度作用并不明確。僅僅抑制IL-1的作用，并不能完全逆轉雌激素缺乏引起的骨量丟失[30]。現如今，IL-1拮抗劑、IL-1受體拮抗劑抑制骨吸收的研究主要集中在細胞以及動物實驗水平，并未有確切的臨床效果及適用指癥。IL-1、IL-33以及其他小分子蛋白已經被學者視為骨質疏松的預警分子，與其他預警分子的相互作用機制不甚明確，但抑制預警分子也許能夠逆轉或緩解骨質疏松進程[52]。雙醋瑞因等IL-1抑制劑主要用于控制炎癥性關節病，保護軟骨及局部軟骨下骨，抑制炎癥反應，能否通過其抑制骨破壞的作用，用于全身性骨質疏松的治療，仍需進一步的動物實驗以及臨床試驗去證實。